CN101673747B - 光电转换设备和成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电转换设备和成像***。在具有多个单位单元的光电转换设备中，其中每个单位单元具有光电转换元件、传输晶体管和浮置扩散区，包括布置在浮置扩散区的上部上的遮光部。各个遮光部相互分开，并且处于浮置状态而没有电连接至浮置扩散区。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电转换设备和包括该光电转换设备的成像***。
背景技术
作为用于数字照相机(camera)的典型类型的光电转换设备，列举出CCD型和MOS型光电转换设备。光电转换设备具有像素区域，在该像素区域中布置了每一个都包括一个光电转换元件(例如光电二极管)的像素。在光电转换设备中，增加了像素的数目，并且研究了对于可由增加数目的像素引起的入射在邻近像素中的泄漏光(串扰)的对策。例如，对于光以大的入射角入射时入射在邻近像素中的泄漏光，在MOS型光电转换设备中可以想到例如遮蔽经过浮置扩散区的上部的光。
日本专利申请特开No.2005-317581公开了一种配置以在用于驱动像素的布线中提供大宽度部分的结构。显现出要利用该大宽度部分进行浮置扩散区(在下文，描述为FD区域)的遮光。
然而，在日本专利申请特开No.2005-317581的结构中，用于驱动像素的布线，也就是，具有固定电位的布线布置在FD区域的上部上。因此，由于FD区域和具有大宽度部分的布线层之间产生的电容量(capacity)，导致FD区域的电容量增加。
在这里，为了防止FD区域的电容量的增加，想到了一种方法，其中日本专利申请特开No.2005-317581的具有大宽度部分的布线层未被电学固定。然而，由于使用未被电学固定的金属层，所以该金属层可能会受FD区域的电学变化的影响而改变，并且将电学变化传到其他FD区域引起电学串扰。
因此，本发明的目的在于提供一种这样的光电转换设备，其能够减小光学串扰，同时抑制FD区域的电容量的增加和FD区域的电学串扰的增加。
发明内容
本发明的光电转换设备包括布置的多个单位单元，其中每个单位单元包括光电转换元件、用于传输光电转换元件中产生的电荷的传输晶体管、和包括由传输晶体管将所述电荷传输到其中的半导体区域的浮置扩散区，其中该单位单元具有在浮置扩散区上方的遮光部，所述多个单位单元的遮光部相互分开并且处于浮置状态而没有电连接至浮置扩散区。
参考附图，从以下示范性实施例的说明，本发明的进一步特征将变得显而易见。
附图说明
图1A是描述第一实施例的光电转换设备的平面示意图，图1B是描述第一实施例的光电转换设备的截面示意图。
图2是光电转换设备的像素电路的一个实例。
图3A是描述第二实施例的光电转换设备的平面示意图，图3B是描述第二实施例的光电转换设备的截面示意图。
图4是描述第三实施例的光电转换设备的平面示意图。
图5是描述成像***的框图。
具体实施方式
现在将依照附图详细地描述本发明的优选实施例。
被并入并组成本说明书一部分的附图示例说明了本发明的实施例，且与描述一起，用于解释本发明的原理。
在本发明的光电转换设备中，在每个FD区域的上部上独立地布置未被电学固定的遮光部。利用这种结构，可以通过遮蔽跨FD区域的上部入射在邻近像素中的泄漏光，来抑制光学串扰，同时将FD区域的电容量的增加抑制到最小。利用这种结构，与包括电学固定(具有固定电位)的遮光部的情况相比，能降低FD区域的电容量。而且，与未被电学固定的遮光部布置在多个单位单元上方的情况相比，可以减小电学串扰。
在下文，将包括一个光电转换元件的最小单位描述为像素，并且将重复单元称为单位单元。而且，将某个节点未被电学固定的状态表述为浮置，或电学浮置状态。
将利用附图详细地描述本发明的实施例。
(第一实施例)
将利用图1A、1B和2描述本实施例的光电转换设备。首先，将利用图2描述光电转换设备的像素电路的一个实例。
在图2中，单位单元20具有一个光电转换元件21(例如光电二极管)、传输晶体管22、浮置扩散区(FD区域)23、复位晶体管24、放大晶体管25、行选择晶体管26。光电转换元件21中产生的电荷通过传输晶体管22传输到FD区域23。还可以将传输晶体管22描述为电连接光电转换元件21和FD区域23的开关。FD区域23和放大晶体管25的栅电极具有相同节点。当行选择晶体管26导通时，基于FD区域23的电位的信号通过放大晶体管25输出到输出线27。在该情况下，FD区域由半导体区域、放大晶体管的栅电极和连接它们的导体构成。在光电转换设备中，布置多个这种单位单元20。
在本实施例中，单位单元20包括一个光电转换元件21和一个FD区域23，但单位单元20可包括两个光电转换元件。更具体地，两个像素可共用放大晶体管25、复位晶体管24和选择晶体管26。而且，两个像素可共用FD区域的半导体区域。而且，该结构可适当地改变成不使用选择晶体管26的结构。应注意，像素包括一个光电转换元件。
接下来，将利用图1A和1B详细地描述本实施例。图1A是两个像素的包括图2中的光电转换元件21的主要部分的平面示意图。图1B是沿着图1A中的线1B-1B截取的截面示意图。在图1A和1B的每一个中，省略了图2中的放大晶体管、复位晶体管等。
将描述图1A和1B的每个结构。包括了P型半导体区域11。P型半导体区域11可以是半导体衬底，或可以是N型。N型半导体区域1构成光电二极管。传输晶体管的栅电极2读取积累在N型半导体区域1中的电荷。电荷被传输到N型半导体区域4，且N型半导体区域4构成FD区域。布线5连接半导体区域4和放大晶体管(未示出)的输入节点，并且接触3连接半导体区域4和布线5。在该情况下，半导体区域4、布线5和接触3具有相同节点。与光电转换元件对应地布置微透镜9。包括了滤色器12。滤色器12布置得对应于光电转换元件，且具有拜耳(Bayer)阵列。将例如LOCOS和STI的结构应用到元件隔离区域10。尽管未清楚地示于图1B中，但绝缘膜13、14和15布置在布线的周围和滤色器的下部上。省略了例如保护膜和平坦化膜的小结构。而且，放大晶体管和复位晶体管假设成在区域8中并被省略。N型半导体区域1的微透镜9处的一侧被用作光电转换元件的光接收面。
在图1A和1B中，遮光部6布置在半导体区域4的上部上。多个单位单元20的遮光部6独立地提供，并且绝缘膜15布置在该遮光部6和另一单位单元20的遮光部6之间。具体地，多个遮光部6相互电隔离。遮光部6没有电连接至FD区域。具体地，遮光部6处于浮置状态。而且，在本实施例中，遮光部6布置在单位单元20中，并且遮光部6没有延伸到其他单位单元所具有的元件上。遮光部6可以由与布线相同的材料形成，例如金属，诸如铝和铜。布线7形成在与遮光部6相同的层上，并且是例如用于晶体管的驱动布线。
利用这种结构，可以减小光学串扰，同时抑制由半导体区域4形成的FD区域的电容量的增加以及FD区域的电学串扰的增加。在下文将详细地描述该效果。
首先，考虑如图1B中的101所示的入射光入射在光电转换元件中的情况。除非提供了遮光部6，否则入射光101就象光103一样入射在其中入射光101本来不应入射的邻近的N型半导体区域1中，也就是，光电转换元件中。随后，成为杂散光(stray light)的光103被输出作为邻近像素的信号，并且出现要形成的图像的颜色变成与实际图像不同的颜色的颜色混合。同时，当在FD区域的上部上提供了遮光部6时，入射光101被遮光部6反射为光102，并且可以抑制光入射在邻近光电转换元件中。当以大入射角入射的光入射在光接收面上时，由于邻近光电转换元件提供FD区域，所以光容易入射在FD区域的上部上。因此，遮蔽FD区域的上部对于抗大入射角的入射光是有效的。因此，通过在FD区域的上部上布置遮光部6，可以抑制光学串扰。尤其是，遮光部6可以布置在FD区域的正上部上、在水平投影平面中重叠的位置处。通过这样的结构，遮光部6可以遮蔽FD区域。
而且，遮光部6没有电连接至FD区域。结果，可以防止FD区域的电容量增加。而且，通过使遮光部6处于浮置状态，与遮光部6处于固定电位的情况相比，可以使与FD区域的耦合电容量小。通过抑制FD区域的电容量的增加，可以抑制光电转换设备的输出信号的SN比率的降低。
而且，作为遮光部6没有布置得直到与其上方布置了遮光部6的特定半导体区域4邻近的半导体区域4的上部的结果，可以减小电学串扰。这是因为，当遮光部6与多个FD区域耦合时，在向它们传输电荷时FD区域的电位改变，并因此，具有不同的电荷量和定时的FD区域的电位变化通过遮光部6传输。没有在该特定FD区域和与其不同的FD区域的上部上布置共用的遮光部6，因此可以减小电学串扰。而且，遮光部6没有延伸到其他单位单元20。利用该结构，可以抑制电容量的增加，并且可以减小其他单位单元20的晶体管等的影响。
因此，利用本实施例的结构，可以减小光学串扰，同时可以抑制FD区域的电容量的增加和电学串扰。在这里，当FD区域的电容量大时，SN比率(信噪比)会减小。因此，利用本申请的发明的结构，与包括处于固定电位的遮光层的情况相比，可以增加SN比率。
除了提供有在邻近的滤色器之间颜色不同的滤色器12的结构外，还可采用没有提供滤色器12的结构和提供有相同颜色的滤色器12的结构。然而，在如本实施例的滤色器12的结构中，例如，绿色的光电转换元件有时检测到应构成红颜色的光，因此，尤其能够获得遮光部6的效果。
而且，当如在本实施例中那样包括微透镜9时，可以与邻近的微透镜9的边界对应地布置遮光部6。这是因为，防止了入射在微透镜9的边界中的光入射在FD区域中，并且可以减小对邻近像素的光学串扰。
(第二实施例)
将利用图3A和3B描述本实施例。图3A是光电转换设备的两个像素的平面示意图，图3B是对应于图3A的线3B-3B的截面示意图。图3A对应于图1A，而图3B对应于图1B。在图3A和3B中，与图1A和1B相同的结构被分配相同的附图标记，并且将省略它们的描述。在图3A和3B中，如同图1A和1B一样省略了除了目标部分以外的结构。
本实施例不同于第一实施例之处在于，在半导体区域4的上部上布置两层的遮光部。此外，本实施例不同于第一实施例之处还在于，共用的接触被用于读取来自半导体区域4的信号。更具体地，本实施例具有在半导体区域4的上部上的，布置在与第一布线层相同高度处的遮光部33和布置在与第二布线层相同高度处的遮光部34。本实施例还具有共用接触30，用于将信号从半导体区域4读取到由多晶硅形成的布线31。布线31被形成为连接至放大晶体管的栅电极32。在本实施例中，半导体区域4、共用接触30和放大晶体管的栅电极32具有相同节点，且构成FD区域。
如本实施例中那样，通过提供两层的遮光部能容易地遮蔽倾斜入射的光，并且因此，可以减小光学串扰。而且，通过采用共用的接触而不是前述接触来作为来自半导体区域4的信号的引出部分(leadingportion)，可以提供与第一布线层相同高度的遮光部。作为将遮光部布置在与在半导体区域11附近的最靠近FD区域的第一布线层相同的高度上的结果，还可以增强对以角度入射的光的遮光性能。而且，通过在最接近FD区域的布线层上提供遮光部，能够在遮光部和FD区域之间形成有积极意义的电容量。因此，可以抑制与具有固定电位的其它布线的耦合。结果，可以减小FD区域的电容量的增加和电学串扰的影响。
而且，遮光部33可以通过与第一布线层的布线相同的工艺形成，遮光部34可以通过与第二布线层的布线相同的工艺形成。具体地，遮光部33和第一布线层的布线可由相同的材料形成，而遮光部34和第二布线层的布线可由相同材料形成。而且，可在第三布线层的高度处提供遮光部，并且用于提供多个遮光部的方法是可选的。第一布线层、第二布线层和第三布线层经由绝缘膜15和16从半导体区域11起按该顺序布置。
(第三实施例)
将利用图4描述本实施例。图4是光电转换设备的四个像素的平面示意图，并且对应于图1A。在图4中，与图1A相同的结构被分配相同的附图标记，并且将省略它们的描述。而且，在图4中，如同图1A中一样省略了除了目标部分以外的结构。
本实施例不同于第一实施例之处在于：两个光电转换元件共用一个放大晶体管。具体地，在图2示出的单位单元20中，加入了光电转换元件21和传输晶体管22。在本实施例中，两个半导体区域4通过布线5连接，以具有相同的节点。更具体地，两个半导体区域4、用来连接它们的布线5以及放大晶体管的栅电极具有相同节点，并且构成所述FD区域。多个遮光部41、42和43布置在FD区域的上部上。而且，遮光部41、42和43没有延伸到其它单位单元20所具有的元件的上部上。
根据这种形成，可以减少用于一个光电转换元件的读取晶体管的数量。因此，可以减少用于晶体管的驱动布线，增加布线布局的自由度，以及可以增加光电转换元件的开口比(opening ratio)。此外，象遮光部41、42和43一样，可以为一个FD区域提供多个遮光部。利用这种结构，可以更加抑制电学串扰的发生，并且可以减少光学串扰。可以仅提供布置在布线5的上部上而不是半导体区域4的上部上的遮光部42，并且甚至在每个遮光部由一个组件构建时，本申请的发明也是有效的。
而且，在本实施例中，为每个光电转换元件提供一个半导体区域4，然而一个半导体区域4可以被提供用于多个光电转换元件。
(到成像***的应用)
在本实施例中，将通过图5描述在第一实施例和第三实施例中描述的光电转换设备到成像***的应用。成像***包括数字静态照相机(digital still camera)、数字摄像机(digital video camera)和用于蜂窝式电话的数字照相机。
图5是数字静态照相机的框图。利用包括透镜802的光学***，对象的光学图像形成在光电转换设备804的成像表面上。可以在透镜802的外侧提供执行对透镜802的保护功能和主开关功能的挡板(barrier)801。在透镜802处提供用于调节从透镜802射出的光的量的光圈(diaphragm)803。通过图像信号处理电路805对从光电转换设备804在多个通道上输出的图像信号进行各种校正和箝位(clamp)处理。在A/D转换器806中对从图像信号处理电路805在多个通道上输出的图像信号进行模数转换。通过信号处理单元(图像处理单元)807对从A/D转换器806输出的图像数据进行各种校正和数据压缩。光电转换设备804、图像信号处理电路805、A/D转换器806和信号处理单元807根据由定时发生器808产生的定时信号操作。每个块由总控和算术运算单元809控制。此外，还包括：用于临时存储图像数据的存储单元810；以及控制记录介质的接口单元811，用于将图像记录到记录介质或从记录介质读取图像。记录介质812通过包括半导体存储器而构成，且是可附接和可拆卸的。而且，可包括用于与外部计算机通信的外部接口(I/F)单元813。在这里，可以在与光电转换设备804相同的芯片上形成部件805至808。
接下来，将描述图5的操作。响应挡板801的打开，主电源、用于控制***的电源和用于成像***电路(例如A/D转换器806)的电源被顺序接通。其后，为了控制曝光量，总控和算术运算单元809使光圈803打开。从光电转换设备804输出的信号经过图像信号处理电路805并且被提供给A/D转换器806。A/D转换器806进行该信号的A/D转换并且将该信号输出到信号处理单元807。信号处理单元807处理数据，并且将该数据提供给总控和算术运算单元809，其执行用于确定曝光量的算术运算。总控和算术运算单元809基于所确定的曝光量控制光圈。接下来，总控制和算术运算单元809从自光电转换设备804输出且在信号处理单元807中处理的该信号取出高频分量，并且基于该高频分量算术运算对物体的距离。其后，总控和算术运算单元809驱动透镜802并且确定其是否聚焦。当确定其没有聚焦时，总控和算术运算单元809再次驱动该透镜802，并且算术运算该距离。在确认聚焦之后，开始实际的曝光。当完成了曝光时，从光电转换设备804输出的图像信号在图像信号处理电路805中被校正，在A/D转换器806中经历A/D转换，并且在信号处理单元807中被处理。在信号处理单元807中处理了的图像数据通过总控和算术运算单元809累积在存储单元810中。其后，累积在存储单元810中的图像数据通过总控和算术运算单元809的控制经由记录介质控制I/F单元记录在记录介质812中。而且，通过外部I/F单元813将该图像数据提供给计算机并且被处理。
以这种方式，将本发明的光电转换设备应用到成像***。在成像***当中，与袖珍照相机和摄像机不同，用于单镜头反射式照相机的光电转换设备有时特别地与光圈值(F值)F＝1.2一起使用。在该情况下入射的光当中，更多的光在相对于光电转换设备的光电转换元件的光接收面成显著大的角度的方向上入射。具体地，许多光束入射在光接收面上。它们中的每个都具有离相对于光电转换元件的光接收面的垂直方向基本成70度或更大的角度。因此，在单镜头反射式照相机中应用本发明的光电转换设备尤为有效。
上面描述的实施例仅是本发明的实例，并且半导体区域的导电类型以及电路结构不限于这些实施例。例如，本发明甚至在放大晶体管被四个光电转换元件共用时也是有效的。导电类型可以相反。而且，各实施例的结构，具体地，像素结构和布线的结构，可以适当地组合。
虽然已参考示范性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示范性实施例。以下权利要求的范围应赋予最广义的解释以包含所有的这些修改和等效结构及功能。
Claims (11)
1.一种光电转换设备，包括：
布置的多个单位单元，其中每个单位单元包括
光电转换元件，
传输晶体管，用于传输光电转换元件中产生的电荷，和
浮置扩散区，其包括半导体区域，由传输晶体管将所述电荷传输到该半导体区域中，其中
该单位单元具有在浮置扩散区上方的遮光部，所述遮光部由金属形成，以及
所述多个单位单元的遮光部由布置在所述遮光部之间的绝缘体而相互分开，所述遮光部处于浮置状态，并且所述遮光部经由布置在每个遮光部与浮置扩散区之间的绝缘体而没有电连接至浮置扩散区以及其它遮光部。
2.根据权利要求1的光电转换设备，进一步包括多个布线，其中
所述遮光部由与所述多个布线相同的材料形成。
3.根据权利要求1的光电转换设备，其中
所述单位单元包括多个光电转换元件。
4.根据权利要求1的光电转换设备，其中
所述浮置扩散区包括相互电连接的多个所述半导体区域。
5.根据权利要求1的光电转换设备，其中
所述单位单元包括放大晶体管，且所述放大晶体管具有通过导体电连接至所述浮置扩散区的半导体区域的栅电极。
6.根据权利要求5的光电转换设备，其中
所述浮置扩散区包括所述半导体区域和所述放大晶体管的栅电极。
7.根据权利要求1的光电转换设备，进一步包括
与所述多个光电转换元件的每一个对应地布置复数个滤色器中的每一个。
8.根据权利要求1的光电转换设备，其中
与所述浮置扩散区中之一对应地布置多个所述遮光部。
9.一种成像***，包括：
根据权利要求1的光电转换设备；和
用于处理从所述光电转换设备输出的信号的信号处理电路。
10.一种光电转换设备，包括：
布置的多个单位单元，其中每个单位单元包括
多个光电转换元件，
多个传输晶体管，与所述多个光电转换元件的每一个对应地布置，用于传输在所述多个光电转换元件中产生的电荷，
多个半导体区域，由所述传输晶体管将所述电荷传输到每个半导体区域中，该半导体区域包括浮置扩散区，和
放大晶体管，具有电连接至所述多个半导体区域的栅电极；
与所述多个光电转换元件的每一个对应地布置复数个滤色器中的每一个；和
多个布线，其中
所述单位单元具有在浮置扩散区上方的遮光部，所述遮光部由金属形成，
所述多个单位单元的遮光部由布置在所述遮光部之间的绝缘体而相互分开，处于浮置状态，并且经由布置在每个遮光部与浮置扩散区之间的绝缘体而没有电连接至浮置扩散区和其它遮光部，以及
所述多个单位单元的遮光部由与所述多个布线相同的材料形成。
11.一种成像***，包括：
根据权利要求10的光电转换设备；和
用于处理从所述光电转换设备输出的信号的信号处理电路。
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